DE850172C - Elektrische Schalteinrichtung fuer veraenderlichen Speisestrom - Google Patents

Description

Sowohl bei Schaltern als auch Stromrichtern, durch die ein veränderlicher Strom fließt, besteht der Wunsch, die Schalthandlung bei Stromwerten durchzuführen, die eine möglichst geringe Beanspruchung des betreffenden Gerätes ergeben. Man hat hierfür auch schon sinnreiche Anordnungen und Steuerungen angegeben, ohne daß jedoch diese Geräte allgemeinen Eingang in die Praxis gefunden haben.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich nun mit einer besonders einfachen und daher auch betriebssicheren elektrischen Schalteinrichtung für veränderlichen Strom mit einem elektromagnetisch l)eeinflußten Schaltelement, das so ausgebildet ist, daß auf das Schaltelement mindestens zwei vom zu schaltenden Strom abhängige magnetische Kraftflüsse derart einwirken, daß mindestens bei stationären Verhältnissen die Veränderungen der auf das Schaltelement ausgeübten Gesamtkraft den Veränderungen des zu schaltenden Stromes voreilt. Bekanntlich ergeben Ströme im günstigsten Fall Kraftwirkungen, die in Phase mit dem Strom selbst sind, und zwar dann, wenn in dem betreffenden Gerät keine zusätzlichen Verluste in Form von Wirbelstrom-, Hystereseverlusten u. dgl. auftreten. In Kreisen mit Eisen, das ummagnetisiert wird, eilt im allgemeinen die durch den magnetischen Fluß erzeugte Kraft gegenüber dem ihn erzeugenden Strom nach. Sowohl bei synchronem wie insbesondere bei nacheilendem Kraftverlauf gegenüber dem zu schaltenden Strom ist es nur mit erheblichem zusätzlichem Aufwand möglich, beispielsweise eine Einschaltbewegung einzuleiten, bevor der Strom seinen Nulldurchgang erreicht hat, oder die Kontakttrennung beim Ausschalten noch im absteigenden Ast des zu schaltenden Stromes herbei-

zuführen. Trifft man jedoch nach der Erfindung die Anordnung so, daß die Kraft dem zu schaltenden Strom voreilt, so fallen alle diese Schwierigkeiten weg, und es lassen sich insbesondere synchrongesteuerte Schaltgeräte und Stromrichter der verschiedensten Art in einfacher Weise bauen. Insbesondere im Schalterbau spielen sog. Schaltvorgänge allgemeinster Art eine wichtige Rolle. Darunter versteht man beispielsweise das Ein- und Ausschalten, ferner, insbesondere in Drehstromsystemen, den Übergang von einem zweipoligen in einen dreipoligen Kurzschluß oder umgekehrt, oder bei geerdetem Nullpunkt das Auftreten von einpoligen Kurzschlüssen, die sich dann wiederum in zwei- und dreipolige verwandeln können. Es entstehen aber auch insbesondere in größeren Netzen Mehrfachstörungen infolge Erd-, Doppelerd- und Kurzschlüssen, die in nicht vorauszusehender Weise kurz nacheinander auftreten können. Jeder Schaltvorgang hat im allgemeinen zur Folge, daß Verlagerungen in den Strömen und Spannungen des Systems auftreten; auch verschieben sich hierbei meist zeitlich die Nulldurchgänge der Ströme.

Damit nun eine Einrichtung nach der Erfindung unter allen.Umständen einwandfrei arbeitet, ist es notwendig, daß sich die resultierende Kraft entsprechend einer Zeitkonstante von höchstens 2 ms einstellt. Je nach Art der Netze wird man auf wesentlich kleinere Zeitkonstanten bis herab auf 10-⁴ Sek. und weniger gehen. Diese Festlegung bedeutet z. B., daß beim Einschalten eines Schalters, wobei zuvor der zu schaltende Strom und damit auch die resultierende Kraft Null waren, diese Kraft schon nach höchstens 2 ms dem Strom um etwa zwei Drittel des vollen Betrages voreilt.

Für gewisse Arten von Geräten kann es wichtig sein, die Einrichtung so auszubilden, daß sich die resultierende Kraft entsprechend einer Zeitkonstante einstellt, die kleiner ist als die gewollte zeitliche Voreilung. Will man z. B. im stationären Zustand eine Voreilung von 3⁰ elektrisch entsprechend 5,4 · 10-⁴ Sek. bei 5operiodigem Wechselstrom erzielen, soll demnach die voreilende Kraft beispielsweise sich mit einer Zeitkonstante von etwa 2 · io~* Sek. einstellen.

Um eine Anpassung über einen möglichst großen Strombereich zu erhalten, ist es zweckmäßig, die Voreilung abhängig vom Effektivwert des zu schaltenden Stromes zu machen, und zwar insbesondere derart, daß die Voreilung bei kleinerem Effektivwert des zu schaltenden Stromes größer ist. Dadurch kann erreicht werden, daß auch bei kleiner Kraft und entsprechend kleinem Strom ein genügend großer Schaltweg durchlaufen wird, um die ^x betreffende Schalthandlung sicherzustellen. Mittel, um eine derartige Charakteristik zu erzielen, sind z. B. die Vorschaltung einer Luft- und einer Eisendrossel, wobei ein zweiter ,Strom parallel zu diesen beiden Reaktanzen fließt.

Die resultierende Kraft kann beispielsweise durch mindestens zwei vom zu schaltenden Strom abhängige Ströme in Zusammenwirkung mit einem Magnetfeld erzeugt werden. Hierbei kann das Magnetfeld vom zu schaltenden Strom unabhängig sein; man erhält dann Systeme, die in ihrer Wirkungsweise eine Verwandtschaft mit den sog. Drehspulinstrumenten aufweisen. Wird das Magnetfeld vom abzuschaltenden Strom selbst erzeugt, so kommt man auf Geräte, die in ihrem Aufbau mit dynametrischen Systemen verwandt sind. Schließlich kann die resultierende Kraft auch von einem durch mindestens zwei vom zu schaltenden Strom abhängigen Strömen erzeugten Magnetfeld herrühren. Dies bedeutet dann, daß der resultierende Fluß, der beispielsweise in einem magnetartigen System die resultierende Kraft erzeugt, gegenüber dem zu schaltenden Strom die gewünschte Voreilung aufweist und- sich auch mit entsprechend kleiner Zeitkonstante einstellt.

Die Fig. 1, 3 und 4 zeigen drei Ausführungsbeispiele der Erfindung in schematischer Darstellung, während Fig. 2 den zeitlichen Kraftverlauf bei der Anordnung gemäß Fig. 1 wiedergibt.

In Fig. ι bedeutet 1 einen als Schaltelement dienenden permanenten Magneten mit einem Nordpol N und einem Südpol S; 2 und 3 sind Gegenpole aus magnetischem Material, 4 und 5 Kontaktplättchen; 6 ist eine Hauptstromwicklung, 7 eine Zusatzwicklung. Der magnetische Rückschluß erfolgt über das Joch 8, welches durch die Zwischenplatten 9 und 10 von den Polen 2 und 3 isoliert ist. Ζ, und Z₂ sind vorgeschaltete Impedanzen, während Z_e eine Impedanz darstellt, die parallel zur Unterbrechungsstelle liegt.

Die Wirkungsweise der Einrichtung ist nun folgende: Der Gesamtstrom / teilt sich im Punkt A in die Teilströme I₁ und I₂ auf. Der erste Teilstrom I₁ fließt über Z₁ nach B, der zweite I₂ über Z₂ und die Spule 7 nach B. Von B aus fließt nun wieder der Gesamtstrom / durch die Spule 6 zum unteren Gegenpol 3 und von hier bei geschlossenen Schaltstellen über das Schaltelement 1 und den Gegenpol 2 zur Alileitung C. Den Strömen / in Spule 6 und I₂ in Spule 7 entsprechen nun in Zusammenwirkung mit dem permanenten Magneten ι die Kräfte K und K₂ gemäß Fig. 2. Sie setzen sich zu der resultierenden Kraft K₁. zusammen. Man erkennt, daß K_r vor der Kraft K, die ja in Phase mit dem zu schaltenden Strom I ist, no durch ο geht.

Nimmt man an, daß zur Zeit ί = ο die Einrichtung gemäß Fig. 1 an Spannung gelegt wird, so sind in diesem Augenblick zunächst alle Ströme noch o. Die Einrichtung soll nun aber so bemessen ein, daß sich die voreilende Wirkung in einer Zeit einstellt, die klein ist gegenüber der Halbwellenzeit des zu schaltenden Stromes. Ein derartiger Verlauf der Kraft A"₂ während ihres Übergangs um stationären Wert ist in Fig. 2 gestrichelt einezeichnet.

Die Einrichtung nach Fig. 1 kann mit besonderem Vorteil als Ventil verwendet werden, da die Kraftwirkung auf das Schaltelement 1 proportional dem Strom ist, d. h. mit dem Strom selbst auch ihre Richtung wechselt. Solange der Strom I im

wesentlichen positiv ist, wird das Schaltelement ι angezogen. Kurz vor dem Stromnulldurchgang wird jedoch die resultierende Kraft K_r = ο und im Anschluß daran negativ. Es findet also eine Abstoßung des Schaltelementes ι statt und damit unmittelbar vor dem Stromnulldurchgang eine Abschaltung des Stromes /. Sorgt man nun dafür, daß während der Sperrzeit ein kleiner Strom parallel zu dem Schaltelement ι über die Einschaltimpedanz Z₁, fließt, so erfolgt die Wiedereinschaltung, sowie die dem verringerten Strom entsprechende resultierende Kraft wieder positiv wird. Ist beispielsweise Z₁, fin entsprechend bemessener Ohmscher Widerstand, so findet die Einschaltung statt, wenn die Spannung an der Unterbrechungsstrecke wieder positiv wird. Durch einen imaginären Anteil der Impedanz Z₁, kann der Einschaltzeitpunkt verschoben werden, wodurch sich eine verlustlose Spannungsregelung erzielen li'ißt. Die dem kleinen Strom über die Impedanz Z_e entsprechende resultierende Kraft K₁.' ist in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet.

Fig. 3 zeigt eine elektrodynamische Schalteinrichtung. Ks bedeuten darin 20 und 31 feststehende Spulen, 22 eine bewegliche Spule, die über ein Isolierstück 23 mit dem Schaltarm 24 verbunden ist, der sich um den Drehpunkt 25 bewegt; 26 ist der feststehende Kontakt, 27 eine Ausschaltfeder. Dk; TeUStW)HiC Z₁ und /., können beispielsweise in ähnlicher Weise, wie in Fig. 1 dargestellt, mit Hilfe zweier Impedanzen Z, und Z., erzeugt werden. Da nur die gegenseitigen Induktivitäten der drei Spulen 20, 21 und 22 veränderlich sind, entstehen zwei Kraftkomponenten, von denen die eine proportional I- und die zweite proportional dem Produkt / ■ /., ist. Durch Zusammenwirkung dieser beiden Kraftkomponenten kann bei geeigneter, an sich bekannter Wahl von Z₁ und Z₉ erreicht werden, daß die resultierende Kraft K_r wiederum vor dem zu schaltenden Strom / durch ο geht. Zusätzlich kann die Feder 2j noch so gesteuert werden, daß ihre Zugkraft zeitlich veränderlich ist, zum Beispiel derart, daß sie im eingeschalteten Zustand den Kontaktdruck zwischen 24 und 26 erhöht, beim Ausschalten zunächst durch ο geht und dann in Ausschaltrichtung wirkt.

Fig. 4 zeigt schließlich noch ein elektromagnetisches AnwendungslxMspiel. Es bedeuten darin 30 eine vom Gesamtstrom / und 31 eine vom Teilstrom I₂ (lurchflossene Wicklung. Unter dem Einfluß der zugehörigen Amperewindungen entsteht ein resultierender Fluß cp_r. 32 ist das Magnetjoch, 33 der Anker, welcher den beweglichen Schaltkontakt 34 trägt; 35 ist der feststehende Kontakt, der in Verbindung mit dem Ende der Wicklung 30 , steht; 36 ist die Ausschaltfeder, die mit Hilfe der Kraft /' in ihrem Wert verändert werden kann. Gemäß der Erfindung ist nun die Anordnung so zu bemessen, daß der resultierende Fluß rp_r gegenüber dem zu schaltenden Strom die gewünschte Voreilung aufweist, denn die resultierende Kraft ist ja bekanntlich im wesentlichen durch den Fluß im Luftspalt gegeben. Die Voreilung selbst ist einmal bestimmt durch die Wahl der Impedanzen Z₁ und Z., und durch die Windungszahl der Wicklungen 30 und 3¹I. Eine zweckmäßige Einrichtung erhält man beispielsweise, wenn Z₁ wesentlich induktiv und Z., wesentlich ohmisch ist. Bei sehr schnellen Schaltern, die ihren Schaltweg in Zeiten von weniger als io~³ Sek. zurücklegen, gelingt es leicht, eine Flußvoreilung von einigen Grad elektrisch zu erzielen. Es ist allerdings zu bedenken, daß die resultierenden Amperewindungen eine noch etwas größere Phasenvoreilung aufweisen müssen, da der Fluß gegenüber diesen Amperewindungen infolge unvermeidlicher Verluste im allgemeinen eine gewisse Phasennacheilung aufweist.

Neben der geschilderten W⁷ahl der Impedanzen Z₁ und Z., sind noch andere an sich bekannte Schaltungen möglich; z.B. kann für gewisse Anwendungsfälle Z₁ auch kapazitiv sein, oder es kann Z₁ in Form eines Shunts ausgebildet und Z₂ kapazitiver oder induktiver Art sein. Daneben sind auch an sich bekannte Brückenschaltungen u. dgl. möglich.

Alle gezeigten Beispiele weisen übereinstimmend das Kennzeichen auf, daß die resultierende Kraft auf das bewegliche Schaltelement eine voreilende Wirkung gegenüber dem zu schaltenden Strom aufweist. Hierdurch läßt sich für Gleichrichter, Schalter, Schütze u. dgl. in einfachster Weise eine synchrone Betätigung erzielen, derart, daß die Unterbrechung kurz vor dem Stromnulldurchgang einsetzt und beim Stromnulldurchgang bereits ein genügend großer Kontaktabstand erreicht ist. Da die voreilende Wirkung aber auch für das Einschalten besteht, kann auch der Einschaltvorgang, insbesondere bei Gleichrichtern synchronisiert durchgeführt werden, z. B. in vorgegebener Phase zur Spannung. Vorteilhaft für die Anwendung ist der Umstand, daß keinerlei zusätzliche Relais, Steuerorgane u. dgl. mehr benötigt werden, wodurch sich die Betriebssicherheit entsprechend erhöht und die Kosten gegenüber bekannten Anordnungen von Synchronschaltern und mechanischen Gleichrichtern wesentlich verringert werden.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   i. Elektrische Schalteinrichtung für veränderlichen Speisestrom mit einem elektromagnetisch beeinflußten Schaltelement, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Schaltelement mindestens zwei vom zu schaltenden Strom abhängige magnetische Kraftflüsse derart einwirken, daß mindestens bei stationären Verhältnissen die Veränderungen der auf das Schaltelement ausgeübten Gesamtkraft den Veränderungen des zu schaltenden Stromes zeitlich voreilen.

   <2. Schalteinrichtung, nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung der magnetischen Kreise, daß die magnetische Zeitkonstante höchstens 2 ms beträgt, so daß sich bei nichtstationären Speieestromänderungen

   in dieser Zeit der größere Teil der angestrebten Kraftvoreilung einstellt.

   3. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung der magnetischen Kreise, daß die magnetische Zeitkonstante kleiner ist als die für stationäre Verhältnisse angestrebte Kraftvoreilung.

   4. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 für Wechselstromspeisung, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der zeitlichen Kraftvoreilung abhängig ist vom Effektivwert des zu schaltenden Stromes.

   5. Schaltvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Voreilung bei kleinerem Effektivwert des zu schaltenden Stromes größer ist als bei hohen Effektivwerten.

   6. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom zu schaltenden Strom abhängigen magnetischen Kraftflüsse mit einem vom zu schaltenden Strom unabhängigen Magnetfeld zusammenwirken.

   7. Schalteinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Schaltelement als Dauermagnet ausigebildet ist.

   8. Schalteinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstellen durch eine Impedanz überbrückt sind.

   9. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom zu schaltenden Strom abhängigen magnetischen Kraftflüsse mit einem vom zu schaltenden Strom abhängigen Magnetfeld zusammenwirken.

   10. Schalteinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement an einer beweglichen Spule befestigt ist, die von einem vom zu schaltenden Strom abhängigen Strom durchflossen wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen